Aplicações das Ceramicas Callister cap 13

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Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Mestrado em Tecnologias Sustentáveis 
Fernanda Bianchi Deleprani
20201MTS0043
Ciência e Tecnologia dos Materiais
Prof. Dr. André Gustavo de Sousa Galdino
VITÓRIA 
2020
Introdução
Cerâmicas são constituídas por elementos metálicos e não metálicos, que possuem ligação de caráter misto, iônico-covalente.
Isolantes térmicos e elétricos 
Condutores ou semicondutores
Duros e frágeis 
Resistem a elevadas temperaturas
Leves em geral
Os materiais cerâmicos enquadram se 
no esquema de aplicação-classificação:
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Comparação entre algumas propriedades Cerâmicas X Metais.
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As cerâmicas estão por toda parte.
 
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Os processos de fabricação empregados pelos diversos segmentos cerâmicos assemelham-se parcial ou totalmente, sendo o vidro o que mais se diferencia quanto a esse aspecto.
Fabricação e Processamento 
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Vidros 
É um material amorfo que apresenta transição vítrea.
O principal tipo de vidro, em termos de volume e valor total de produção é o vidro de sílica. 
Composição Química:
 Principal óxido: SiO2 ; outros óxidos: CaO, Na2O, K2O, Al2O3, B2O3, TiO2, entre outros.
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Vidros 
A primeira etapa para a produção de produtos de vidros é a “fusão” das matérias-primas → reação no estado sólido, formando um material viscoso em altas temperaturas. 
Os produtos de vidro são conformados (moldados) a quente, quando o material está “fundido” → apresentando-se como um material de elevada viscosidade, que pode ser deformado plasticamente sem se romper.
Óxidos tais como SiO2, B2O3, GeO2 e P2O5 são capazes de formar vidros e são chamados de formadores de redes (“network formers”). 
Outros óxidos são adicionados à composição do vidro com a função de modificar a rede → baixar o ponto de fusão → modificadores (“network modifiers”). 
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Vidros 
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Vidros 
Existem elementos cujos óxidos que não são capazes de formar redes, mas podem ser adicionados como substitutos do cátion do óxido formador → intermediários (“intermediates”) → exemplos: Al2O3 e TiO2 . 
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Vidros 
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Propriedade dos Vidros
Matérias-primas são aquecidas a altas temperaturas, resultando em um material viscoso (“fundido”). 
Não ocorre cristalização (ordenação dos íons em uma estrutura cristalina) durante o resfriamento. 
Quando o material é resfriado, sua viscosidade vai aumentando (e diminui o seu volume) ao ponto em que começa a apresentar o comportamento mecânico de um sólido. 
Não existe uma temperatura de fusão cristalina, mas uma temperatura de transição vítrea (Tg) . 
Nos vidros inorgânicos, a viscosidade η varia com a temperatura de acordo com a equação: 
onde η0 e Eη são constantes e dependem da composição do vidro. 
R é a constante dos gases e T é a temperatura em graus Kelvin. 
Vidros 
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Vidros 
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Vidros 
Curva de temperatura versus volume especifico. a) sólido cristalino, com ponto de fusão Tm; b) um vidro com temperatura de transição vítrea Tg; c) os efeitos da taxa de resfriamento na temperatura de transição vítrea.
 
Produção de Produtos de Vidro
As características viscosidade-temperatura são importantes para as operações de conformação.
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Vidros 
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Vidros 
Conformação de Produtos de Vidro
Tratamentos Térmicos 
Recozimento - Durante a conformação, como consequência do fato de que a massa de vidro não se esfria por igual, são geradas muitas tensões. Devido a isso o vidro deve ser recozido, ou seja, levado até a temperatura de recozimento para alívio de tensões e em seguida esfriado lentamente, todo por igual.
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Vidros 
Forno de recozimento de vidro plano e de embalagens. 
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Têmpera do Vidro 
Têmpera térmica 
Vidros 
Para causar a fratura de uma peça de vidro temperado, uma tensão de tração externa deverá ser capaz de ser suficientemente grande para superar a tensão residual de natureza compressiva da superfície, e além disso tensionar adicionalmente a superfície o suficiente para criar uma trinca. 
Essa trinca, para se propagar, deverá conseguir superar as tensões de compressão que existem na camada superficial da peça. 
Se uma trinca conseguir atingir a região interna, que está submetida a tensões de tração, ela se propagará de forma catastrófica pela grande liberação das tensões existentes → a peça quebrará de forma praticamente instantânea, em cacos pequenos e arredondados. 
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Vidros 
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Vidros 
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Vidros 
Vidro temperado X Vidro Laminado
Vidro temperado 
Vidro laminado
Têmpera química 
Consiste na imersão da peça de vidro em um banho contendo íons maiores do que o do modificador presente por exemplo, potássio raio iônico K+ > raio iônico do Na+.
A entrada de íons como o K+ na estrutura do vidro leva ao estabelecimento de
 tensões de compressão na sua superfície.
Essas tensões se contrapõem às trincas para 
se propagarem, as trincas precisam vencer as tensões 
de compressão induzidas na superfície.
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Vidros 
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Vidros 
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A maior parte dos materiais cerâmicos é cristalina.
Cerâmicas Cristalinas 
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Cerâmicas Cristalinas 
Produtos a base de argila 
A argila é o principal componente das louças brancas e dos produtos estruturais a base de argila. Outras matérias primas podem ser adicionadas, que influenciam nas mudanças que ocorrem durante o cozimento.
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Cerâmicas Cristalinas 
Refratários
São materiais empregados em temperaturas elevadas e em ambientes reativos. Possuem elevada temperatura de fusão, não reativos e inertes quando exposto a ambientes severos e promovem isolamento térmico. 
Com base na composição aplicação, são:
	- Argila refratária (misturas alumina-sílica), sílica (alto teor de sílica), básica (rica em MgO) e refratários especiais.
. 
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Cerâmicas Cristalinas 
Abrasivos
São as cerâmicas utilizadas para corte, esmeril e polimento de outros materiais macios. Devem apresentar tenacidade e dureza, além de serem capazes de suportar elevadas temperaturas resultantes das forças de atrito.
Cimentos 
Conhecidos como cimentos inorgânicos, possuem a característica especial que, quando misturados com água, formam uma pasta que “pega” e endurece. Atuam como uma fase de união, que aglutina quimicamente agregados particulares para formar uma única estrutura coesa. 
Cerâmicas avançadas
Os processos de fabricação desses matérias podem diferir das cerâmicas tradicionais.
Suas matérias primas são caras, pois possuem qualidade melhorada. 
As aplicações são baseadas em propriedades mais especificas.
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Cerâmicas Cristalinas 
De um modo geral, os materiais cerâmicos cristalinos são policristalinos, e muito deles (em especial, as cerâmicas tradicionais) são polifásicos. 
Comumente de microestruturas complexas. 
 Os contornos dos grãos são mais complicados do que aqueles dos metais, pois podem existir fases vítreas. 
A microestrutura é definida por: 
Forma e arranjo de grãos (ou de regiões contendo fases vítreas). 
Tamanho e fração em volume dos poros presentes. 
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CerâmicasCristalinas 
Processo de fabricação dos materiais cerâmicos cristalinos 
Os materiais cerâmicos cristalinos têm elevado ponto de fusão e não podem ser conformados a partir de um fluído viscoso como os vidros. 
A plasticidade necessária para sua conformação é conseguida antes da queima, por meio de mistura das matérias primas, em pó, com uma fase líquida.
Processamento
Preparação das matérias-primas em pó. 
Mistura do pó com um líquido (por exemplo, água) para obter um material conformável: 
– suspensão de alta fluidez
– massa plástica 
Conformação da mistura
Secagem das peças conformadas.
Queima das peças após secagem.
Acabamento final.
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Cerâmicas Cristalinas 
Secagem das peças conformadas
Durante o processo de secagem ocorre perda de massa e uma consequente retração pela remoção gradativa do líquido adicionado inicialmente para permitir a conformação.
A peça seca pode passar por uma etapa intermediária de processamento antes da queima:
-Acabamento superficial e montagem das peças.
- Aplicação de vidrado.
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Queima das peças após secagem
As peças são queimadas geralmente entre 900ºC e 1400ºC. Esta temperatura depende da composição da peça e das propriedades desejadas. Durante a queima ocorre um aumento da densidade e da resistência devido à combinação de diversos fatores: 
Eliminação de água e de compostos orgânicos eventualmente presentes (dispersantes, ligantes, material orgânico nas argilas). 
Decomposição de fases existentes na temperatura ambiente e formação de novas fases de acordo com o diagrama de fases do sistema.
Sinterização → eliminação da porosidade e consequente densificação. 
A densificação que ocorre na sinterização pode ser o único fenômeno que ocorre – é o caso de algumas cerâmicas avançadas, onde a matéria-prima já é composta do pó da fase que vai compor o produto final. Exemplo: produtos de alumina , como os corpos isolantes de velas de ignição. 
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Sinterização
É um processo utilizado para conformação de produtos metálicos e de produtos cerâmicos a partir de matérias-primas em pó.
Consiste em um processo de compactação de partículas sólidas por meio de calor, pressão ou a combinação de ambos, sem que seja atingida a fusão dos materiais constituintes das partículas.
Como não atinge a temperatura de fusão, ele é utilizado para conformação de produtos com ponto de fusão muito elevados ( exemplo os metais W e Mo ou produtos cerâmicos, tanto tradicionais quanto avançados).
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Cerâmicas Cristalinas 
A força motriz para a sinterização é a diminuição da quantidade de superfície por unidade de volume. 
O transporte de massa ocorre por difusão. 
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Microestruturas compactas que ocorrem durante a queima para um pó . a) Partículas de pó após prensagem. b) Junção de partículas e formação de poros quando a sinterização começa. c) Conforme a sinterização acontece, os poros mudam de tamanho e forma.
1- Empacotamento das partículas de matéria prima.
2- Estágio intermediário de sinterização.
3- Quando uma densificação é atingida, o sistema de “canais” de poros colapsa e formam-se poros isolados.
4- O crescimento dos grão aumenta nas áreas que já estão 100% densificadas, enquanto o processo de densificação continua a eliminar os últimos poros existentes. Essa etapa deve ser muito bem controlada quando se é necessário um material com poros pequenos.
5- Micrografia real de uma cerâmica 100% densa.
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1- Tijolo refratário – Podem ser observados entre os grãos a presença da fase vítrea.
2- Alumina 98%Al2O3 utilizada como isolante elétrico.
3- Alumina densa 99,7% Al2O3 com grãos finos.
4- Peça para uso em alta temperatura e condição de alta resistência ao desgaste, em WC-Co.
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Métodos de conformação
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Materiais piezoelétricos
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As almofadas de carregamento sob a cruz coletam energia das vibrações. Painéis de carregamento canalizam energia para baterias de íon de lítio que podem ser usadas posteriormente.
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Materiais com funções mecânicas e térmicas
Ferramentas de corte
Principais materiais: Al2O3, TiC, TiN
Materiais resistentes em temperaturas elevadas 
Turbinas, turbo compressores e trocadores de calor.
Principais materiais: SiC, Al2O3, Si3N4
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Sensores de gases
Alarme de vazamento de gases venenosos e hidrocarbonetos
Sensor de veículos automotores
Sensor de oxigênio na fabricação do aço
Principais materiais: ZrO2(O2), ZnO, SnO2, Fe2O3(H2O)
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Aplicações biológicas
Próteses e implantes
Ossos artificias, dentes e juntas.
- Principais materiais: Al2O3 (bionerte), hidroxiapatia (bio-ativa); vitrocerâmicas.
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Vitrocerâmicas 
Vitrocerâmicas são materiais policristalinos onde os cristais de uma ou mais fases encontram-se imersos em uma matriz vítrea. 
São produzidos por meio de uma cristalização controlada (“devitrificação”) que ocorre no seio da matriz vítrea. 
Existe uma série de sistemas que permitem a formação de vitrocerâmicas: 
–Sistema LAS → Li2O – Al2O3 – nSiO2 
–Sistema MAS → MgO – Al2O3 – nSiO2 
–Sistema ZAS → ZnO – Al2O3 – nSiO2 
Os processos de conformação são idênticos
àqueles empregados em produtos de vidro.
 
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 A transformação em vitrocerâmica é feita por meio de tratamentos térmicos apropriados – nucleação e crescimento de cristais, que acontecem depois do recozimento feito para aliviar as tensões geradas pelo processo de conformação.
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Composição e propriedade de algumas vitrocerâmicas
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Referências